[논문 리뷰] Gluon polarization and jet production at STAR

Pibero Djawotho|CNR SOLAR (Scientific Open-access Literature Archive and Repository) (University of Southampton)|2013. 03. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 2009년 런 동안의 STAR 데이터를 사용하여 $√s = 200$ GeV에서의 균일한 및 이젯의 종방향 이중스핀 비대칭($A_{LL}$)에 대한 고정밀 측정을 제시한다. 이는 25 pb$^{-1}$의 루미노시티와 57%의 비스핀 비율을 달성하였다. 개선된 제트 에너지 해상도와 감소된 트리거 편향을 통해, $Δ g(x)$의 극화된 글루온 분포를 제약하며, DSSV 모델을 GRSV 모델보다 선호하고, $0.05 < x < 0.2$ 범위에서 글루온 극화 분율의 불확실성을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

At RHIC kinematics, polarized jet hadroproduction is dominated by $gg$ and $qg$ scattering, making the jet longitudinal double-spin asymmetry, $A_{LL}$, sensitive to gluon polarization in the nucleon. I will present STAR results of $A_{LL}$ from inclusive jet and dijet measurements for the RHIC 2006 run totaling 5.5 pb$^{-1}$ of integrated luminosity with 55% beam polarization at center-of-mass energy 200 GeV. I will also present preliminary results from the analyses of data from the 2009 run, which collected a much larger sample (25 pb$^{-1}$ with 57% polarization) at 200 GeV. The results are compared with theoretical calculations of $A_{LL}$ based on various models of the polarized gluon distribution function in the nucleon. The STAR data place significant constraints on allowed theoretical models.

연구 동기 및 목표

• 양성자-양성자 충돌에서 $\sqrt{s} = 200$ GeV 조건에서 종방향 이중스핀 비대칭($A_{LL}$)을 측정하여, 양성자 내 글루온 극화 $Δ g(x)$를 탐색한다.
• 2006년 런 대비 2009년 런의 보다 정밀한 데이터를 활용하여, 극화된 글루온 분포 함수 $Δ g(x)$에 대한 제약 조건을 향상시킨다.
• 향상된 검출기 성능을 통해 제트 에너지 해상도 향상과 트리거 효율 향상을 통해 $A_{LL}$ 측정의 체계적 불확실성을 최소화한다.
• 이론 모델(GRSV, DSSV, GS-C)과의 비교를 통해 $Δ g(x)$에 대한 타당한 시나리오를 구분하고, 양성자 스핀에 대한 글루온 스핀 기여의 불확실성을 감소시킨다.

제안 방법

• 제트 재구성은 콘 반경 0.7, 시드 횡방향 에너지 0.5 GeV, 분할-합치기 비율 0.5를 사용한 중점-콘 알고리즘을 사용하였으며, 이는 트랙과 전자기 캘로리메터 타워에 적용되었다.
• 이중스핀 비대칭 $A_{LL}$는 공식 $A_{LL} = \frac{1}{P_1P_2}\frac{N^{++} - R N^{+-}}{N^{++} + R N^{+-}}$ 를 사용하여 측정되었으며, 여기서 $R$는 루미노시티 비율이고, $N^{++}$, $N^{+-}$는 같은 헬리시티와 반대 헬리시티 빔에 대한 제트 수확이다.
• 2009년에는 새로운 에너지 차감 기법이 도입되었으며, 이는 하드론성 쇼어링에 기인한 변동성을 줄이기 위해, 관련 전하를 띤 트랙의 총 운동량을 전자기 캘로리메터 타워에서 빼는 방식이었다.
• 데이터 수집 시스템(DAQ1000)은 여러 백 헤르츠에서 작동할 수 있도록 업그레이드되어, 사각형 시간이 약 5%에 불과하여 트리거 효율성이 크게 향상되고 편향이 감소하였다.
• 향상된 트리거 임계값과 BEMC 및 EEMC에서의 겹치는 제트 패치로 인해 제트 수용률이 2006년 대비 37% 향상되었다.
• 재구성된 제트 $p_T$와 진짜 제트 $p_T$ 간의 차이를 줄이고, $gg$, $qg$, $qq$ 반응 과정에 대한 차별화된 트리거 반응을 고려함으로써 체계적 불확실성을 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2009년 극화된 양성자-양성자 충돌에서 $\sqrt{s} = 200$ GeV 조건에서 제트 횡방향 운동량($p_T$)과 위상속도($\eta$)에 따른 종방향 이중스핀 비대칭($A_{LL}$)은 어떻게 측정되었는가?
• RQ2 2009년의 $A_{LL}$ 결과는 극화된 부분입자 분포에 대한 전 세계 피팅(GRSV, DSSV, GS-C)의 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 종방향 및 이젯 $A_{LL}$ 측정 결과가 $x$ 범위 $0.05 < x < 0.2$에서 극화된 글루온 분포 $Δ g(x)$를 어느 정도 제약하는가?
• RQ4 검출기 성능 향상(예: DAQ, 에너지 해상도, 트리거)이 $A_{LL}$ 측정의 정밀도와 체계적 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 2009년 데이터는 이전 데이터에 대한 피팅을 통해 $\chi^2 + 2$ 범위 내에서 잘라낸 $Δ g(x)$의 적분이 변할 수 있도록 허용할 수 있는가?

주요 결과

• 2009년 종방향 제트 $A_{LL}$ 측정 결과는 저-$p_T$ 영역에서 2006년 결과 대비 정밀도가 4배 높았고, 고-$p_T$ 영역에서는 3배 높았다.
• 종방향 제트에 대한 측정된 $A_{LL}$ 값은 DSSV와 GRSV-STD 모델의 예측 사이에 위치하며, DSSV 모델이 데이터를 잘 설명한다.
• 2006년과 2009년 데이터에 대한 피팅을 통해 $Δ g(x)$의 잘라낸 적분이 $0.05 < x < 0.2$ 범위에서 0.13으로 결정되었다. 이는 $χ^2$가 2 범위 내에서 변할 수 있도록 허용한 것이다.
• 이젯 $A_{LL}$ 결과는 다양한 빠르도 범위에서 측정되어 $Δ g(x)$의 형태를 추가로 제약하며, 종방향 제트의 $x$ 범위를 초월한 외삽에 관련된 불확실성을 감소시킨다.
• 제트 에너지 해상도가 18%로 향상되었고(2006년의 23% 대비), 트리거 편향이 감소하여 $A_{LL}$ 측정의 정확도가 크게 향상되었다.
• 2009년 데이터는 25 pb$^{-1}$의 루미노시티와 57%의 비스핀 비율을 제공하며, 극화된 부분입자 분포의 전 세계 분석에 포함될 경우, 양성자 내 글루온 극화의 불확실성을 크게 감소시킬 것으로 기대된다.